Neue Experimente zur kosmischen Hintergrundstrahlung Alexander Linn 23

Neue Experimente zur kosmischen Hintergrundstrahlung Alexander Linn 23. 06. 2003 2/26/2021 Alexander Linn 1

Ein erster Ausblick auf diesen Vortrag: - Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung - Erste Vorhersagen und frühe Experimente - Ursprung der Temperaturoszillationen und Bedeutung des ersten Peaks - Moderne Experimente zur kosmischen Hintergrundstrahlung - Ausblick - Zusammenfassung 2/26/2021 Alexander Linn 2

Entstehung der Kosmischen Hintergrundstrahlung (CBR) - Urknall: sehr heißes und dichtes Universum - Bei Vernichtung von Materie und Antimaterie entstehen Photonen - Durch Expansion Verringerung der Dichte und Temperatur - Nach ca. 300. 000 Jahren Universum soweit abgekühlt das Elektronen und Protonen Wasserstoffatome bilden können CBR-Heute frühst möglicher beobachtbarer Zeitpunkt des Universums!!! Universum nun „durchsichtig“ für Photonen 2/26/2021 Alexander Linn 3

Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Penzias und Wilson - Erste Vorhersage über Existenz der CBR 1948 von Gamow und 1950 von Alpher/Herman: - Universum verhält sich wie ein schwarzer Köper -Wegen der Expansion des Universums wurde eine Abkühlung der CBR auf ~3 K vorhergesagt - erste (zufällige) Entdeckung 1965 durch Penzias und Wilson mit ihrer Hornantenne als nicht erwartets Rauschen - Nobelpreis für Physik 1978 2/26/2021 Alexander Linn 4

Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Penzias und Wilson - Messergebnisse von Penzias/Wilson 1967: - Strahlung ist die eines schwarzen Körpers - Isotropie der Temperatur < 0, 1 K - Bestätigung der Urknalltheorie 2/26/2021 Alexander Linn 5

Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Satellit COBE - COBE: Cosmic Background Explorer - Start November 1989 von der NASA - Drei Experimente zu Untersuchung der Hintergrundstrahlung mit bisher nicht da gewesener Präzision: DMR, FIRAS und DIRBE - annähernd polare Umlaufbahn in 900 km Höhe entlang des Terminators (Tag- Nachtgrenze) der Erde - Rotation mit 0, 8 Hz - Sichtrichtung der Experimente immer ca. 90° zur Sonne und 180° zur Erde um die Störstrahlung zu minimieren 2/26/2021 Alexander Linn 6

Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Satellit COBE - FIRAS: far infrared absolet spectrophotometer -Vergleicht Strahlspektrum von 100 mm – 1 cm mit interner Schwarzkörper Referenzstrahlung - Sichtfeld von 7° - Abweichungen von Referenzstrahlung kann noch im m. K gemessen werden 2/26/2021 Alexander Linn 7

Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Satellit COBE Güte der COBE Messung: Residuum der Messwerte zu theoretischem Schwarzkörperspektrum mit T als einzig freiem Parameter - Sehr gute Übereinstimmung mit Strahlung eines schwarzen Körpers bei K - Eindrucksvolle Bestätigung der Urknalltheorie die Absinken der Temperatur vorhersagt 2/26/2021 Alexander Linn 8

Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Satellit COBE - DIRBE: diffuse infrared background experiment -Bestimmt absolute Helligkeit des Himmels im Bereich von 1 -300 mm bei 10 verschiedenen Wellenlängen - misst die Infrarotstrahlung von nahen Quellen wie der Milchstraße und interstellarem Staub 2/26/2021 Alexander Linn 9

Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Satellit COBE -DIRBE Messung des beobachtbaren Himmels und Entfernung der Vordergrundstrahlung Interstallarer Staub Infrarotstrahlung der Milchstraße und des Sonnensystems Kalte (inner-) Galaktische Staubwolken Resultierende CBR bei 240 mm 2/26/2021 Alexander Linn 10

Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Satellit COBE - DMR: Differential Microwave Radiometer - DMR sucht nach kleinen Temperaturdifferenzen zwischen jeweils zwei Punkten am Himmel - Drei unterschiedliche Frequenzen: 31, 5; 53 und 90 GHz - Nach einjähriger Messung Temperaturunterschiede DT<10 m. K bei einer Winkelauflösung von 7° darstellbar 2/26/2021 Alexander Linn 11

Erste Vorhersagen und frühe Experimente: Satellit COBE Beispiel für eine DMR Messung bei 53 GHz: 1) 1) Ursprüngliche Messung ohne Korrekturen: Man erwartet Effekt von wegen der Relativbewegung der Sonne um das Zentrum der Milchstraße zur CBR 2) 2) Nach Korrektur auf Dipolstrahlung: 3) Nach Korrektur auf Galaktische Strahlung mit Hilfe der DIRBE-Daten 3) COBE zeigt nur Temperaturfluktuationen im m. K-Bereich der 3 K CBR: - Effekt ! 2/26/2021 -100 m. K Alexander Linn +100 m. K 12

Ursprung der Temperaturoszillationen - Sind diese minimalen Dichtefluktuationen vorhersehbar ? - Bei einer vollkommen homogenen Massenverteilung, keine Bildung von größeren Strukturen möglich, da sich alle Massen gleich anziehen - Nur bei inhomogener Massenverteilung Bildung von großen Strukturen wie z. B. Galaxien möglich CBR darf nicht völlig isotrop sein, es müssen Fluktuationen existieren 2/26/2021 Alexander Linn 13

Ursprung der Temperaturoszillationen Woher kommen diese Dichtefluktuationen ? - Ursprung durch Quantenfluktuationen im frühen Universum, diese wurden durch Inflation noch verstärkt dadurch Bildung von Strukturen wie Galaxien und Sternen erst möglich 2/26/2021 Alexander Linn 14

Ursprung der Temperaturoszillationen - Woher stammen die minimalen Schwankungen der Temperatur der CBR? - Wegen der Gravitationskräfte ziehen sich die Massen an, so das Orte unterschiedlicher Materiedichte entstehen : Niedrige Dichte Hohe Dichte - Einstein sagt Krümmung des Raumes durch Massen voraus, Orte hoher Massendichte führen zu , , Tälern‘‘, Orte niedriger Massendichte zu , , Bergen‘‘ 2/26/2021 Alexander Linn 15

Ursprung der Temperaturoszillationen - Gravitation bewirkt eine Anziehung der Massen untereinander, Strahlungsdruck wirkt dieser entgegen: Oszillationen der Massen 2/26/2021 Alexander Linn 16

Ursprung der Temperaturoszillationen - Oszillationen führen bei großer Dichte zu wärmeren Gebieten, bei niedriger Dichte zu kühleren Gebieten: Kalt Heiß - Aufgrund der Quantenfluktuationen sind alle Wellenzahlen möglich 2/26/2021 Alexander Linn 17

Ursprung der Temperaturoszillationen - Oszillationen hörten mit Rekombination auf, da sich Photonen nun frei bewegen konnten - Heutige Messungen der CBR also Momentaufnahmen der Oszillationen bei t = 300. 000 a - im Mittel bei deren Maximum, weil die Aufenthaltswahrscheinlichkeit an den Umkehrpunkten der Schwingung am größten ist k=1 k=2 - natürlich findet man zufällige Verteilung der Schwingungsmoden, deswegen statistische Analyse notwendig k=3 ~k Theoretischer Verlauf des Energiespektrums der CBR - Dazu bietet sich eine Entwicklung nach Multipolen (Kugelflächenfunktionen an 2/26/2021 Alexander Linn ) 18

Ursprung der Temperaturoszillationen Oszillationen zu Beginn - Betrachtung mittels Multipolen l ~ k: der Rekombinationsphase -Multipole entsprechen der Anzahl der vom Beobachter aus wahrgegenommenen Oszillationen - je besser die Auflösung des Experimentes, zu desto hören Multipolen l gelangt man (l ~ 1/q) 1, 5*10^10 a Beobachter Heute - Position des ersten Peaks ist korreliert mit der Krümmung des Universums und Energiedichte W (W=1 in vielen Theorien bevorzugter Wert) - Warum korreliert eine Messung der Krümmung k mit der Energiedichte W ? 2/26/2021 Alexander Linn 19

Bedeutung des ersten Peaks - Friedmann-Gleichung: H Hubble –Parameter R Größe des Universums G Gravitationskonstante r mittlere Energiedichte Offenes Universum k Krümmung des Raumes Flaches Universum (k = -1, 0, +1) Geschlossenes Universum Kritische Dichteparameter Messung der Krümmung k korreliert mit Energiedichte W 2/26/2021 Alexander Linn 20

Bedeutung des ersten Peaks - Position des ersten Peaks direkt abhängig von der Krümmung des Universums: grobe Abschätzung!!! a < 1° : offenes Universum 0^10 a*c a = 1° : flaches Universum 1, 5*1 a > 1° : geschlossenes Universum a - falls also a < 1° rutscht der Peak nach rechts hin zu größeren l und für a > 1° rutscht der Peak nach links hin zu kleineren l Zusammenhang zwischen Position des Peaks und der Energiedichte des Universums hergestellt! 2/26/2021 Alexander Linn 21

Neue Experimente: BOOMERANG - BOOMERANG: Balloon Obseravtions Of Millimetric Extragalactic Radiation And Geophysics - Auf Ballonflug basierende Messung der CBR - 1998 von der NASA in der Antarktis gestartet blieb BOOMERANG 10, 5 Tage in der Luft und konnte während dieser Zeit 247 h Daten nehmen 2/26/2021 Alexander Linn 22

Neue Experimente: BOOMERANG - Messungen der CBR bei 150 GHz mit vier Detektoren in einer Höhe von ca. 38 Km - Hauptspiegel mit 0, 6 m Radius und zwei Refokussierungsspiegeln - Zwei unterschiedliche Auswertungsmethoden der Daten: MADCAP: Genauere Auswertungsmethode, die mehr Zeit in Anspruch nimmt und die best mögliche Fehlerbetrachtung macht FASTER: Sehr schnelle aber nicht ganz genaue Auswertungsmethode 2/26/2021 Alexander Linn 23

Neue Experimente: BOOMERANG - Von BOOMERANG 1998 gemessenes Multipolspektrum bei einer Himmelsabdeckung von 2, 9% (oben); systematische Fehler (unten): - Erster Peak bei lässt auf nahezu flaches Universum schließen: 2/26/2021 Alexander Linn 24

Neue Experimente: WMAP - WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe - NASA Satellit, startete 2001 - Bauweise ähnlich der COBE´s um Rauschen zu minimieren - Messungen bei fünf verschiedenen Frequenzen: 22, 8; 33, 0; 40, 7; 60, 8 und bei 93, 5 GHz - Winkelauflösung von ~1° 2/26/2021 Alexander Linn 25

Neue Experimente: WMAP - Die CBR der WMAP Messungen nach einem Jahr nach Entfernung aller Störquellen und bekannten Fehler: 2/26/2021 Alexander Linn 26

Neue Experimente: WMAP - Multipolspektrum des gesamten Himmels: - Bis jetzt genaueste Lokalisierung des ersten Peaks bei Powerspektrum - mit Hilfe des ersten Peaks ergibt sich die Energiedichte des Universums zu: - Erste Lokalisierung des zweiten Peaks bei 2/26/2021 Alexander Linn 27

Bedeutung des zweiten Peaks und des abfallenden Teil des Multipolspektrums - 2. Peak: in 300. 000 a eine Kompression und eine Expansion - Kompression abhängig von gesamter Materie je mehr Materie, desto größer der 1. Peak - Expansion abhängig vom Anteil sichtbarer Materie 2. Peak weniger stark ausgeprägt als 1. Peak da ? Der zweite Peak gibt Auskunft über den Anteil Baryonischer Materie des Universums - Photonen wechselwirken nur mit der Materie, solange ihre mittlere freie Weglänge kleiner als die Wellenlänge der Materieoszillation ist 2/26/2021 Alexander Linn 28

Neue Experimente: Vergleich BOOMERANG/WMAP Mit Hilfe der Theorie zum inflationären Universum lassen sich außerdem noch einige wichtige Parameter abschätzen, hier eine Gegenüberstellung der BOOMERANG und WMAP Ergebnisse des jeweils besten FIT der Daten: Parameter 2/26/2021 BOOMERANG (2002) Alexander Linn WMAP (2003) 29

Zusammenfassung der Ergebnisse - Multipolspektrum, das durch die vorgestellten Experimente COBE, BOOMERANG und WMAP entstanden ist (und den Heutigen Stand der Forschung wiedergibt): -- BOOMERANG -- WMAP DT in m. K -- COBE l 2/26/2021 Alexander Linn 30

Ausblick: Experimente -Verfeinerung der bisherigen Ergebnisse (weitere BOOMERANG und WMAP Ergebnisse) - Genauere Messungen der Peaks zwei und drei durch neue Experimente: -ACBAR (Arcminute Cosmology Bolometer Array Receiver): - Erdgebundenes Experiment in der Antarktis - Messungen des Multipolspektrums auf vier Kanälen bei 150; 219; 274 und 345 GHz - Messung des Multipolspektrums im Bereich zwischen l~200 und l~3000 2/26/2021 Alexander Linn 31

Ausblick: Experimente - Satellit PLANCK: - Messungen des Multipolspektrums im Bereich von 100 -850 GHz mittels zwei Experimenten - LFI Low Frequent Instrument im Bereich von 30 -100 GHz mit einer Temperaturauflösung von 12 m. K - HFI High Frequent Instrument im Bereich von 100 -850 GHz mit einer Temperaturauflösung von 5 m. K - Winkelauflösung von 10‘ - Damit Multipolspektrum im Bereich zwischen l~2 und l~1500 messbar - Start voraussichtlich 2007 2/26/2021 Alexander Linn 32

Zusammenfassung - Hintergrundstrahlung entspricht Strahlung eines Schwarzen Körpers bei T= K mit Schwankungen im m. K-Bereich -Temperaturschwankungen sind Dichteunterschiede der Materie zu Beginn der Rekombinationsphase - Temperaturschwankungen geben Auskunft über Geometrie des Universums, heutige Messwerte legen nahezu flaches Universum nahe ( ) - Mit Hilfe der Hintergrundstrahlung viele kosmische Parameter mit hoher Präzision bestimmbar ( ) 2/26/2021 Alexander Linn 33

Multipolentwicklung der Temperaturschwankungen ? Temperaturunterschiede durch Kugelflächenfunktionen darstellbar: Dem Winkelabhängigen Energiespektrum entsprechen die Koeffizienten: Für unseren Himmel beobachtet zu: Damit nun Multipolentwicklung für die CBR: 2/26/2021 Alexander Linn 34